基于光固化法的嵌套器件的工艺研究

作者：王章利 扈宇姝 杨晓冬

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 1 前 言 快速成型制造技术是80年代末期才发展起来的一种基于离散/堆积思想的成型技术。它可以实现从三维模型到实体的直接制作，而不需要任何工装，大大的缩短了产品的研发周期。该技术已广泛应用于产品设计评估、功能测试及快速模具制造等领域。特别是对于多层嵌套器件的制作，用常规加工方法难以实现整体一次成型，而快速成型工艺占有绝对优势。 本试验研究的嵌套件里外共三层，底面带有“HIT”字样，所用设备为西安交通大学先进制造技术研究所研制的LPS250A型激光快速成型（光固化）机。 2 三维造型及实体制作 激光快速成型机所能识别的是STL（三角面片）文件格式，它由一系列的小三角形平面来逼近模型自由曲面，对三维实体进行几何近似，见图1，大多三维设计软件都支持这种格式文件的输出。三角形的大小是可以选择的，从而能得到不同的曲面近似精度。实物如图2。 3 添加支撑结构的研究 由于工件的各截面轮廓是在液态树脂中逐层固化成型的，为避免铲碎和层间漂移，设计必要的支撑结构来托起工件很关键。通过分析总结嵌套件的制作试验，设计和添加支撑可遵循如下技巧和原则： （1）在设计过程中充分考虑到工件结构对加工过程的影响，尽可能的优化设计。如大平面加工容易发生坍塌、翘曲变形和铲碎，而“立式”加工又会延长加工时间，故须综合考虑。 （2）务必使支撑与试件相连，并从实体内开始生长。注意摆放方向和倾斜角度，使工件与工作台接触尽量少，窄边着地，以便铲断。此时，为稳固工件，一般可在其总层数的1/3处添加稳定支撑。 （3）成型过程中，随着工件的逐层累积，注意成型件重心的变化也很重要，支撑应随重心的变化而变化。 （4）由于支撑的扫描速度慢，固化时间长，为提高成型效率，可尽量减少和简化支撑，降低高度（减少层数）。例如本嵌套件，为了减少支撑高度和层数，造型时可将中间球体向下略偏心一小段距离（1.5mm）。 （5）根据需要可使用宽度各异的支撑扫描线，较低支撑用一条扫描线即可，较高支撑可使用2 -3条扫描线，以提高强度。而对于较长的支撑线，可在垂直方向上添加一些短支撑。 （6）由于支撑会影响表面成型质量，成型件的光洁面尽量不加支撑。对于本嵌套件，带字底面朝上放置可避免支撑。此外，为提高外球的表面质量，也可将支撑添加在外球与中球之间，让支撑从外球体内开始生长，以避免长在外表面上。 4 提高面型精度的措施 从嵌套件的成形表面来看，其上表面较光滑，但侧面有较明显的台阶，相对较粗糙，这是由于：激光器发出的激光束光斑呈圆形，光强正态分布，单条扫描线树脂固化呈抛物线形，当光线沿轮廓逐层扫描时，轮廓层的理想侧面形貌和实际表面之间的差异便会累加，导致相邻层之间产生台阶效应，如图3。 上图中，由于轮廓层厚t很小，可假设其实际侧面为竖直面，即a=0度，此时有： 当r=0度时，即理想表面为竖直面时，h=0，台阶高度最小；当r趋于+ -90度时，H趋于最大，这表明，夹角r直接影响了台阶效应明显与否，这与本实验的嵌套件实际成型情况是一致的。本嵌套件的外表面为球状，r先从大角度逐渐减小，在水平直径处减为0，再逐渐增大。嵌套件的表面粗糙度与上述变化趋势相符。 台阶效应是基于堆积法成型的固有缺陷，以下措施可提高面型精度： （1）减小层厚。增加分层数目，减小层厚t，可以提高模型离散的分辨率，但是层数的增加势必导致制作效率的显著降低，使“快”速成型变成“慢”速成型。为提高成型效率，可采用分区变层厚固化工艺。先将CAD模型分为轮廓区和实体区，轮廓区采用小层厚扫描固化，而实体区采用大层厚扫描，这样既可获得较高的面型精度，又能保证制作效率。 （2）减小模型表面与堆积方向的角度r。该法实际操作比较困难，对于由多个表面构成的复杂模型，要减小角度，难以兼顾，况且优化制作的方向需要综合考虑制作的效率、支撑的结构与方式，不能只考虑精度，须综合考虑。对于本嵌套件，可将套件座底朝上，一方面减小接触面积，另一方面可使带字的座底表面光滑。 （3）表面喷涂。该法就像表面喷漆一样，在零件制作完成后，去除支撑、清洗，然后在零件表面上喷上一层液态树脂，台阶和一些凹坑被液态树脂填充，再放进后固化装置中进行固化，可明显提高面型精度。 （4）支撑结构。由于支撑结构是长在工件实体内的，去除支撑后会在实体表面留下痕迹，大大地降低表面的精度（嵌套件表面留有支撑结构的痕迹），故光洁面尽量不要有支撑（在多数情况下，悬伸的下表面不可避免地需添加支撑结构）。因此，合理设计和减少支撑结构，可提高面型精度。 （5）减小扫描线间距由于单条树脂固化形状呈抛物线，因此，减小扫描线的间距，采用编织或网状的扫描方式能够改善下表面的粗糙度。 （6）连续填充扫描。由于填充扫描往往不是从一侧连续完成的，则在扫描线的对接处由于树脂的收缩会造成微量的凸起，这种现象在本嵌套件的座底面比较明显。由此可见，在扫描最后一层时，若采用从一侧连续完成，可使表面精度更高。 （7）刮板刮平。嵌套件的最上表面是通过激光束扫描树脂液面直接形成的，因此，液面的平整性直接影响零件的面型精度。当树脂黏度小，流动性较好并辅以涂层系统的刮平，上表面的精度可以达到很高，其粗糙度值是所有表面中最小的。此外,由于工作台的上下移动，树脂液面上往往有气泡，若不采用刮板刮平，气泡容易漂移到成型区，引起成型件实体内“夹泡”。本次试验由于未采用刮板，嵌套件实体内有“夹泡”现象发生。 （8）后处理。在实体成型完成及去除支撑后，通过修补、打磨、抛光、后固化等方式也可获得一个表面质量较好的零件。 5 避免漂移的措施 在光固化成型过程中，由于工艺参数设置不当或支撑设计不合理等原因，常常会出现层间粘结不牢而发生漂移现象。以下措施可以有效避免层间漂移： （1）合理设计支撑结构。当工件有悬臂结构时，须设计支撑，如图4所示。若不添加支撑A，则虚线以下部分将很容易出现整个悬臂的漂移。 （2）减小层厚。因为激光固化树脂的厚度是有限制的，如果层厚太大，而固化深度不够，势必造成前后成型层面不能粘结在一起，引起层间漂移。但是层厚太小会产生过烧现象，即部分树脂被激光多次照射固化而烧焦。 （3）升降台零点位置。成型第一层时，将升降台设置为比液态树脂面稍高0.5mm的状态，让支撑结构牢牢的固化在工作台上。 （4）扫描速度。激光器的功率是有限制的，如果光点移动速度太快，树脂还来不及固化或固化深度不够，这样层与层之间就激光扫描速度不要设得太高。 6 结 语 （1）嵌套件的光固化成型试验表明，合理设计支撑结构，并人为提升工作台零点位置，能有效避免固化层间漂移。 （2）采用上述几种提高面型精度的方法，能显著提高成型件的表面质量。 （3）针对试验中出现的一些问题，提出的解决措施是可行的，为光固化的成型工艺提供了依据。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2008)